安装在无人机上的光子传感器绘制温度分布。(来源:华盛顿大学)
安装在无人机上的光子传感器绘制温度分布。(来源:华盛顿大学)

圣路易斯华盛顿大学的一组研究人员首次成功记录了环境数据,他们使用了一种具有低语画廊模式(WGM)结构的无线光子传感器谐振器。这些传感器在2017年春季记录了两种情况下的数据:一种是在12小时内实时测量空气温度,另一种是通过安装在无人机上的传感器绘制温度分布的航空地图。为了便于比较,两种测量都配有配有蓝牙连接的商用温度计。两者的数据比较起来非常有利。

在“物联网”(IoT)的世界里,有大量以电子设备为主的空间分布的无线传感器。这些设备经常受到电磁干扰的干扰,比如低空飞行的飞机造成的音频或视觉信号的干扰。但是光学传感器不受电磁干扰的影响。具有低语画廊模式(WGM)结构的无线光子传感器谐振器占地面积小,灵敏度极高,具有多种可能的功能。这些传感器之所以得名,是因为它们的工作原理类似于伦敦圣保罗大教堂(St. Paul 's Cathedral)著名的耳语画廊,穹顶一侧的人可以听到另一侧的人对墙壁发出的信息。与在可听见范围内产生共振的圆顶不同,传感器在光频率和振动或机械频率上产生共振。与现有的桌面大小的实验室设备相比,WGM传感器的主板仅仅是127毫米乘67毫米——大约5英寸乘2.5英寸——并集成了传感器系统的整个架构。传感器本身由玻璃制成,只有头发丝大小,通过一根光纤与主板相连。用激光探测传感器。耦合出传感器的光被发送到带有传输放大器的光电探测器。 A processor controls peripherals such as the laser current drive, monitoring circuit, thermo-electric cooler, and Wi-Fi unit.

在WGM中,光通过恒定的内部反射沿结构的圆形边缘传播。在圆形的边缘内,光旋转了一百万次。在这些空间中,光波可以探测到环境的变化,比如温度和湿度。传感器节点由定制的操作系统应用程序监控,该应用程序控制远程系统,并收集和分析传感信号。

无线传感器,无论是电子的还是光子的,都可以监测诸如湿度、温度和气压等环境因素。无线传感器的应用包括环境和医疗监测、精确农业实践和智慧城市数据收集等。

研究人员必须解决稳定性问题,这些问题由他们开发的定制操作系统应用程序以及体积庞大的实验室测量系统的小型化来处理。他们开发了一款智能手机应用程序,通过Wi-Fi控制传感系统。通过将传感器系统接入互联网,实现了对系统的实时远程控制。

2017年6月,他们将该系统安装在一栋建筑的外墙,积累了共振的频移图,并将他们的数据与商业温度计进行了比较。研究人员还将他们的系统安装在一架无人驾驶飞机上,旁边还有一个商用温度计。当无人机从一个测量位置飞到其他位置时,WGM的共振频率会随着温度变化而改变。测量结果与商业温度计的结果吻合良好。WGM技术可能有许多有前景的传感应用,包括磁性、声学、环境和医学传感。